電子也走單行道？金屬與半導體的奇妙互動
現代科技帶給人們生活的便利不可勝數，許多科學家投身半導體科技領域。半導體與其他物質的交互作用可以產生豐富的應用，半導體碰到金屬時會形成蕭特基能障，再透過外加電壓調整能障大小，可以使電子單向通過，使電子電路產生整流的效果，若選擇合適的金屬與半導體作連結，則可以形成歐姆接觸，幫助科學家更精確地探索半導體的導電特性。
撰文｜黃鼎鈞
半導體科技帶給現代人生活上極大的便利，生活周圍的電子產品都與半導體的發展脫不了關係。半導體是介於導體與絕緣體之間的物質，可成為電流的閥門，決定電流流通與否，進而作為數位邏輯運算的單元，亦能透過電子在材料中的躍遷，發展為許多光電產品，像是 LED燈泡，不僅如此，半導體與其他物質的交互作用也令科學家關注。電子在金屬中能自由的流動，但它能順利地從金屬游向半導體嗎？電子游的過去，但就一定游的回來嗎？我們需要認識金屬與半導體之間產生的奇妙效應。
蕭特基能障：電子流通的單行道
蕭特基能障（Schottky barrier）是由德國物理學家蕭特基（Walter Hans Schottky）於1914年所提出，金屬與半導體接觸會形成一道能障（Φb），這彷彿一道牆阻礙電子在兩者之間的流動，這牆壁的高度是由「金屬的功函數」（Work function, W）及「半導體材料的電子親和力」（Electron affinity, χ）決定，可用 Φb = W － χ 此式表示，而金屬的功函數指的是「多少能量能使電子離開金屬」，電子親和力則代表「材料獲得電子的難易程度」，越大代表越容易獲得電子，在固態物理中的定義則是「從真空中將一個電子移入至半導體導帶所需要的能量」。根據蕭特基的理論，若金屬功函數與半導體的電子親和力相差越大，則兩者接觸面的能障越高。
若將電子當作筆者本人，金屬和半導體分別為生活中的麥當勞及肯德基，筆者原本在麥當勞用餐，若要筆者起身到肯德基聚餐，必須達到兩個條件：
- 麥當勞的餐點不夠吸引我（功函數不大），或者
- 肯德基的餐點更有吸引力（電子親和力很大），才能使筆者從麥當勞移到肯德基。
回到金屬與半導體，若金屬的功函數非常大，半導體的電子親和力很小，介於金屬與半導體間的蕭特基能障就非常高，電子難以從金屬流通至半導體。
蕭特基能障在半導體電子元件上具有「整流」的特性，也就是說電子只能往其中一個方向流動，不能雙向的流通。當施加正電壓於金屬半導體元件的半導體端上，電子會從金屬流向半導體，因為電子會被施加在金屬上的負電壓排斥，電子就容易往半導體的方向移動。反之，若將正電壓施加於金屬端，電子則無法從金屬流向半導體，因為電子容易被正電吸引，以至於電子更不容易離開金屬。以能量的角度來看，透過不同方向的電壓施加，可以調整蕭特基能障的大小，進而限制電子的移動方向，在日常生活最常見的應用之一就是將交流電（AC）轉為直流電（DC）。
然而，因為蕭特基能障的存在，也使科學家在量測半導體的電性時遇到困難，材料電性包含：電阻、電壓與電流等等的特性。當電性量測的探針扎進半導體材料裡，時常使樣品材料受傷，因此，通常會在半導體材料上鋪上一個金屬層保護樣品，但是金屬與半導體間形成的蕭特基能障，卻會影響電性的量測，使我們無法單純地瞭解電子在半導體材料中的特性。這時候就需要「歐姆接觸」概念。
歐姆接觸：更精確地瞭解半導體材料的電性
歐姆接觸（Ohmic contact）可以說是蕭特基能障的一種特例，發生在金屬功函數與半導體的電子親和力相當時，也就是 Φb = W －χ ～ 0 表示金屬與半導體之間幾乎沒有形成能障，而電子流動於其間，符合歐姆定律的線性關係：電壓＝電流 X 電阻（V = I x R），這樣的關係也顯示兩材料之間的電性特徵類似。若能夠找到不同半導體材料對應的金屬，就能避免形成蕭特基能障，就不會影響半導體材料的電性量測，也能減少電子在傳遞過程中的能量損失，同時最佳化電子元件的工作表現。
雖然蕭特基能障提供一個絕佳的理論，使科學家瞭解金屬與半導體的介面機制，實際情況卻從來無法完美符合理論模型，因為半導體元件的製備過程中，些許的汙染或金屬表面的氧化都會影響要素。因此，半導體製程的環境要求相當嚴苛，在無塵的環境且大多需於高真空狀態製作，以確保材料沒有額外的化學反應。如今，我們能擁有許多先進的半導體科技產品，多仰賴科學家們日以繼夜的探索，以及工程師們精益求精的改善製程。
註：本篇內容是以電子的觀點出發幫助讀者理解，一般常以「電流」來表達，而電流的行進方向與電子行進的方向相反。實際上，是因為帶有負電的電子移動使電路中產生相對的正電流，而有了電流的概念。所以讀者在搜尋更多延伸資料時，須注意「電流」與「電子流」的方向性喔！
參考資料：
- 半導體元件物理學第三版，作者施敏
- Wikipedia contributors. "Walter H. Schottky." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 12 Jan. 2023. Web. 22 Jan. 2023.